Etude expérimentale et théorique du comportement d'un tunnel renforcé par boulonnage frontal

Trompille Virginie

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• Publié par: Zyon
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Extrait

Introduction générale 15
Introduction générale

Dans les terrains de faible résistance, le creusement de tunnels à front non pressurisé entraîne une
décompression du front pouvant conduire à d’importants mouvements de terrain dommageables aux
bâtiments existants en surface, voire conduire à une rupture du front dont les conséquences peuvent être
catastrophiques pour le personnel du chantier. Afin de limiter ces mouvements et de rendre possible
l’excavation en toute sécurité, le renforcement du noyau d’avancement par des techniques de pré-
confinement ou de pré-soutènement s’est développé depuis vingt ans. Parmi elles, on s’intéresse au
boulonnage du front de taille du tunnel par des inclusions horizontales en fibre de verre d'une vingtaine
de mètres de longueur scellées au terrain par un mortier de résine ou de ciment. Peu couteuse et de mise
en œuvre facile, cette technique de renforcement offre également la possibilité de varier la densité et la
longueur des boulons en fonction des conditions géotechniques rencontrées. Toutefois, malgré
l’efficacité du boulonnage réellement observée dans la pratique, le comportement du composite
sol/boulon reste encore difficile à appréhender notamment à cause du problème tridimensionnel, de la
configuration évolutive et de l’hétérogénéité du massif (terrain et boulons). Par ailleurs, les données
expérimentales sur le comportement du front d’un tunnel renforcé par boulonnage sont peu nombreuses.
La méconnaissance du problème conduit à des outils de dimensionnement empiriques pouvant conduire
à une surestimation du nombre de boulons à mettre en place.

Ces constatations sont à l’origine d’un programme de recherche mené à l’Ecole Nationale des Travaux
Publics de l’Etat depuis 1996, auquel contribue le travail de thèse présenté dans ce mémoire. Pour ce
faire, différentes approches ont été mises en œuvre.

Dans un premier chapitre, une étude bibliographique est consacrée aux problèmes de stabilité d’un
tunnel lors du creusement à front ouvert (mouvements de convergence en paroi et d’extrusion au front
de taille) et aux techniques de renforcement du front disponibles. Puis on s’intéresse tout
particulièrement à celle du boulonnage frontal en évoquant notamment une application concrète de cette
technique au cours du creusement du tunnel de Tartaiguille. On présente également différents travaux
de recherche (théoriques et expérimentaux) ayant pour objectif une meilleure connaissance du
comportement du front ainsi renforcé.

Dans un second chapitre, une approche analytique permet d’estimer entre autre les déplacements à
l’avant du front et la répartition de la traction le long d’un boulon. Pour ce faire, un modèle mécanique
est développé en se basant sur l’hypothèse essentielle de la symétrie sphérique, conduisant à une
résolution analytique du problème. Ce modèle s’appuie sur les travaux antérieurs de Wong et al. (1998)
tout en tenant compte d’une limitation de la résistance à l’interface terrain/boulon. Une méthodologie
simplifiée de prédimensionnement est ensuite proposée.

Les chapitres 3 et 4 sont consacrés respectivement à la présentation et aux résultats d’une campagne
expérimentale réalisée à l’E.N.T.P.E. sur modèle réduit tridimensionnel de tunnel sous gravité terrestre
dont l’objectif est d’évaluer quantitativement l’effet stabilisant des boulons. Dans un premier temps,
différents essais de laboratoire permettent de caractériser les deux constituants du modèle (sol et
boulons). Ensuite, une instrumentaion exhaustive du modèle réduit permet de mesurer les tassements en
surface, l’extrusion au front de taille, les déplacements internes et les contraintes internes devant le
front, ces deux dernières mesures étant assez rares mais précieuses pour l’analyse. Au final, huit essais
ont été réalisés dont la moitié en présence de boulons. Durant chaque essai, des phases successives
d’enfoncement du tube et de terrassement du matériau se trouvant à l’intérieur simulent la procédure
réelle de creusement sous pré-voûte.

Dans le dernier chapitre, on compare les prédictions du modèle analytique développé, d’une part, à des
données d’extrusion in situ en provenance du tunnel de Tartaiguille et, d’autre part, à des calculs Introduction générale 16
numériques 3D réalisés à l’aide d’un logiciel aux différences finies. De plus, l’application des lois de
similitude aux résultats obtenus sous modèle réduit est discutée.

Pour plus de clarté, certains résultats sont reportés en annexe, à la fin du document. L’annexe A
explicite la résolution de l’approche analytique proposée au chapitre 2 alors que les résultats
expérimentaux commentés au chapitre 4 sont rassemblés dans les annexes B à F.